Глава 1. Назначение лабораторного практикума в теории и практике начального профессионального образования

1.1. Объективная необходимость лабораторного практикума

Лабораторный практикум – это потенциально наиболее значимый и результативный компонент естественнонаучной, общей профессиональной и специальной подготовки в области техники и технологий, предназначенный для приобретения навыков работы на реальном оборудовании, с аналогами которого будущему специалисту, возможно, придется иметь дело в своей практической деятельности.

Лабораторный практикум относится к таким видам учебных занятий, которые включают лабораторные и практические работы в соответствии с графиком учебного процесса.

Лабораторный практикум проводится в специализированных учебных лабораториях. Эффективность данного вида занятий во многом определяется возможностями учебного заведения:

• в оснащении учебных лабораторий современным оборудованием;

• в выборе номенклатуры объектов экспериментального изучения и содержания лабораторных работ;

• в реализации эффективных технологий выполнения работ и т.д.

1.2. Образовательные задачи лабораторного практикума

На лабораторный практикум возлагаются следующие важные задачи:

• Практическое закрепление полученных теоретических знаний;

• Приобретение навыков самостоятельной работы с реальным оборудованием;

• Планирование и постановка инженерного эксперимента;

• Выбор оборудования для проведения эксперимента;

• Обработка и объяснение результатов эксперимента;

• Сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными данными

В идеальной постановке образовательного процесса для повышения эффективности усвоения учебного материала, каждый объект изучения в рамках учебной дисциплины в обязательном порядке должен снабжаться всеми необходимыми компонентами теоретического, практического, модельного и экспериментального изучения.

1.3. Виды лабораторных практикумов

В системе НПО при подготовке по профессии … могут быть использованы различные виды практикумов, таких как:

«Идеальный» лабораторный практикум должен был бы выглядеть следующим образом:

• Разнообразное и необходимое оборудование, применяемое в учебной лаборатории;

• измерительные приборы различных видов и типов;

• вспомогательные приспособления и другие необходимые атрибуты проведения экспериментальных исследований.

• в соответствии с полученным индивидуальным заданием и предварительно освоенными теоретическими знаниями об объекте учащийся выбирает из множества, предоставленного в его распоряжение лабораторного оборудования только то, которое необходимо для выполнения его индивидуального задания;

• каждый учащийся самостоятельно выполняет лабораторную работу или проводит эксперимент, в результате чего он получает возможность активных самостоятельных действий с реальным оборудованием и приборами.

Однако на практике такой идеальный подход никогда не применяется, поскольку требует много свободного оборудования и времени для своей реализации, высок риск порчи оборудования из-за неумелых действий плохо подготовленных студентов.

Традиционный лабораторный практикум – это, как правило, набор практически готовых, полностью смонтированных лабораторных стендов, предназначенных для экспериментального изучения базовой совокупности объектов по данной учебной дисциплине.

Учащийся, в лучшем случае, выполняет рутинные операции изменения напряжений, переключения отдельных приборов, цепей и т.д. При этом учащийся лишается главного – самостоятельной постановки эксперимента, выбора приборов и оборудования (за него уже все выбрано и поставлено).

Кроме того, в реальных условиях постановка лабораторного практикума сталкивается с организационными, техническими и экономическими трудностями. Так, с позиции эффективности усвоения материала было бы наиболее целесообразно после изложения теоретической части по каждому разделу дисциплины сразу же закрепить именно этот материал лабораторным практикумом. Однако лекция, как правило, читается для 100-150 слушателей, а возможности учебной лаборатории в лучшем случае рассчитаны на 6-12 рабочих мест, что не обеспечивает потребности даже одной учебной группы.

Вынужденно приходится на одном лабораторном стенде реализовывать бригадное выполнение лабораторной работы (по 2-4 человека в бригаде). Эффективность такого метода чрезвычайно низка, поскольку в каждой такой бригаде работу выполняет один учащийся, который является лидером конкретного мини-коллектива. Остальным студентам достаются рутинные, вспомогательные операции (фиксация в протоколе результатов измерений, построение графиков и т.д.), которые не способствуют ни приобретению практических навыков работы с реальным оборудованием, ни усвоению существа изучаемых процессов. Тем самым нарушается одна из главных образовательных функций лабораторного практикума – самостоятельность практического освоения реальной техники.

Другие учебные группы общего потока обучаемых, в лучшем случае, с задержкой в 2-4 недели смогут приступить к выполнению лабораторных работ, т.е. происходит разрыв во времени между теоретическим, практическим и экспериментальным изучением материала, что также не способствует эффективности его усвоения.

Демонстрационный лабораторный практикум является одной из вынужденных форм проведения лабораторных занятий на уникальном лабораторном оборудовании, существующем в единичных экземплярах.

Обычно такое случается, когда объект изучения слишком громоздок, дорог или энергоемок, чтобы его можно было многократно тиражировать для одновременного (фронтального) выполнения работ. В то же время, создание уменьшенных физических моделей по каким-то причинам признано нецелесообразным. Например, считается, что масштабное «искажение» изучаемого объекта уводит учащихся из реального мира в его виртуальное отражение и наносит тем самым вред образовательному процессу. Это заблуждение. Если в процессе масштабирования были соблюдены критерии подобия, то можно быть уверенным, что изучаемые физические процессы не искажены. Именно это главное в образовательном процессе. А работу реального станка, домны, прокатного стана, электростанции можно изучить в процессе учебной практики или учебного видеофильма. Будущему специалисту важнее не их внешний облик (он со временем может стать совершенно другим), а понимание принципа действия и рабочих процессов, которые меняются значительно реже.

Демонстрационный лабораторный практикум обычно проводится опытным преподавателем. Учащимся в основном отводится роль пассивных наблюдателей. При этом не реализуются главные образовательные функции лабораторного практикума (выбор приборов и оборудования, активные действия с объектом изучения), кроме одной – знакомство с работой реального оборудования. Но ценность этого весьма сомнительна – смена лабораторного оборудования в учебных заведениях происходит так редко, что реально приходится знакомиться с работой уже устаревшего оборудования, которое, как правило, давно снято с производства и эксплуатации.

Таким образом, проведение демонстрационных лабораторных работ следует расценивать, как вынужденную и временную меру, отражающую трудности создания современного эффективного учебного лабораторного оборудования.

Виртуальный лабораторный практикум – представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.

Различают две принципиальные разновидности виртуальных лабораторных практикумов:

• полностью модельный лабораторный практикум, который от постановки до получения результатов реализуется средствами универсальных или специально разработанных компьютерных моделей;

• полунатурный лабораторный практикум, который в своей постановке опирается на модельные средства, а результаты берутся из базы данных реально проведенных экспериментов.

Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения.

Получение из базы данных результатов реальных экспериментов не несет нового в образовательный процесс, так как обучаемому необходимо наблюдать реакцию лабораторного оборудования именно на свои, пусть даже ошибочные, действия, которые впоследствии можно осмыслить, сделать поправку и провести повторный эксперимент. А когда на все его действия компьютерная система «подставляет» единственно правильный результат, полученный опытным преподавателем, учащийся начинает понимать, что его не учат, а «красиво обманывают» и теряет интерес к творческому поиску решений.

Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является обязательной компонентой современного образовательного процесса, но оно не может полностью заменить реальный лабораторный практикум.

Удаленный лабораторный практикум – это один из перспективных видов организации лабораторных занятий, рекомендуемый для самостоятельного обучения в системе открытого технического образования. Его суть заключается в обеспечении коллективного доступа удаленных пользователей по компьютерным сетям к автоматизированным учебным стендам (комплексам), размещенным в базовых ресурсных центрах подготовки специалистов.

Лабораторное оборудование и программно-методические средства этого типа позволяют по индивидуальному заданию обучаемого выбирать объект изучения из предлагаемого множества альтернатив, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента, обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Здесь в полном объеме реализуется комплекс образовательных функций, возложенных на лабораторный практикум.

Проведенный анализ существующих лабораторных практикумов показывает, что практически в каждом учебном заведении используется не объективно необходимая, а случайным образом сформированная лабораторная база, которая не позволяет осуществлять единую государственную систему подготовки технических специалистов. Объективно напрашивается пересмотр сложившейся практики проведения лабораторных исследований и создания нормативных документов, регламентирующих введение концепции и лабораторного оборудования нового поколения.